Процесс проектирования печатных плат: подход EDA к разработке

Команды разработчиков аппаратного обеспечения добиваются успеха, когда могут перейти от требований к работоспособной, пригодной для производства плате с минимальным числом повторных итераций. Автоматизация электронного проектирования (EDA) помогает достичь этой цели, предоставляя интегрированный рабочий процесс, управляемый ограничениями, который поддерживает согласованность электрических, механических и производственных требований — от первой блок-схемы до финального релиза.

EDA заменяет ручное черчение и разрозненные симуляторы единой средой для сбора требований, ввода схем, моделирования, трассировки и компоновки PCB, верификации и подготовки производственной документации. Если EDA-программное обеспечение выбрано правильно и корректно настроено, оно сокращает цикл разработки и повышает выход годных с первого прохода.

Ключевые выводы

• EDA объединяет рабочий процесс проектирования PCB. Единая модель данных, управляемая ограничениями и связывающая требования, схему, моделирование, компоновку, верификацию и выпуск, помогает сократить число повторных итераций и повысить выход годных с первого прохода.
• Стандартизация должна быть измеримой. Создайте общие библиотеки и наборы ограничений, интегрируйте систему с MCAD и PLM, а затем отслеживайте количество итераций на проект, выход годных с первого прохода и время от заморозки схемы до релиза.
• Интеграция теперь является базовым ожиданием. Современная EDA-среда должна легко подключаться к MCAD, PDM, PLM и инструментам анализа, чтобы электротехнические, механические и производственные команды могли работать с актуальными данными и снижать риск поздних сюрпризов.
• Единый контекст — важное преимущество. Платформа Altium объединяет Octopart Discover для поиска решений, Altium Develop для проектирования PCB и Altium Agile для корпоративных рабочих процессов в согласованную среду для распределенных команд аппаратной разработки.

Что такое EDA-проектирование в инженерии PCB?

EDA-программное обеспечение используется для проектирования, моделирования, верификации и подготовки электронных систем к производству. В инженерии PCB EDA-проектирование обычно охватывает:

1. Требования и системную архитектуру
2. Захват схемы и логическую связность
3. Моделирование и анализ
4. Компоновку и трассировку PCB
5. Верификацию и утверждение
6. Документацию и выпуск

Большинство EDA-систем узкоспециализированы под конкретную область проектирования; лишь немногие приложения способны охватить все аспекты разработки продукта. Традиционные процессы выносили каждый этап в отдельный инструмент с ручной передачей данных между ними. Современная автоматизация EDA-проектирования связывает все это единой моделью данных, благодаря чему связность, ограничения, библиотеки и производственные выходные данные формируются в рамках одного проекта.

Какие EDA-инструменты популярны для электронного проектирования?

Компании, работающие в области автоматизации электронного проектирования, предлагают инструменты, которые можно разделить на три широкие группы.

1. Инструменты начального уровня и решения для ограниченного бюджета
   • CircuitMaker предоставляет пользователям бесплатную платформу для проектирования с набором инструментов, очень похожим на Altium Designer, и включает бесплатное персональное рабочее пространство в Altium 365.
   • KiCad предлагает функциональный пакет с открытым исходным кодом для схемотехники, PCB и базового 3D. Он используется в образовании, любительских проектах и стартапах на ранней стадии.
   • EasyEDA и аналогичные браузерные инструменты предлагают облачное проектирование схем и PCB, часто связанное с недорогим производством.
2. Профессиональные среды
   • Altium Develop — флагманское решение на платформе Altium для профессиональных команд по разработке PCB. Оно поддерживает очень крупные проекты, расширенные ограничения и глубокую интеграцию с цепочкой поставок, необходимую для автомобильной, аэрокосмической и медицинской продукции.
   • Cadence OrCAD, Siemens PADS и Zuken CR-8000 также ориентированы на профессиональное проектирование, предлагая захват схем и компоновку, а также дополнительные модули анализа.
3. Корпоративные платформы
   • Altium Agile включает базовый набор функций Altium Develop и расширяет его в область корпоративного управления данными. Расширенные функции управления доступны в облаке или в локальном развертывании.
   • Cadence Allegro и Siemens Xpedition — более тяжелые платформы, поддерживающие крупные проекты.

Новички и любители часто начинают с KiCad, EasyEDA или CircuitMaker, поскольку это бесплатные решения начального уровня. Производственные команды обычно стандартизируются на Altium, OrCAD, PADS или более высокоуровневых корпоративных платформах по мере роста сложности плат и требований к соответствию нормативам.

Можно ли интегрировать автоматизацию EDA-проектирования с другими инструментами?

Успешные аппаратные проекты требуют координации между электротехническими, механическими и закупочно-производственными подразделениями на каждом этапе. Эффективное EDA-проектирование предполагает тесную интеграцию с системами управления данными о продукте (PDM), управления жизненным циклом изделия (PLM), механическими CAD-системами (MCAD) и инструментами анализа.

Интеграция ECAD и MCAD

Трехмерные форматы и совместная работа ECAD–MCAD упрощают обмен контурами платы, запретными зонами, корпусами компонентов, rigid-flex-областями и многоплатными сборками. В Altium Develop совместная работа ECAD–MCAD встроена в основную среду с помощью MCAD CoDesigner, поэтому команды PCB и механики могут обмениваться изменениями без ручного перемещения файлов, а обе стороны видят одну и ту же историю ревизий.

Интеграция с PLM и PDM

Системы PLM и PDM служат официальным источником данных по компонентам, спецификациям материалов (BOM) и ревизиям. Когда EDA-программное обеспечение интегрировано с PLM, оно может передавать структурированные данные BOM в систему учета, связывать релизы с конкретными ревизиями проекта и согласовывать запросы на инженерные изменения с актуальным проектом. На платформе Altium Altium Agile обеспечивает автоматизацию рабочих процессов, управление и более глубокую связность с корпоративными системами, такими как PLM и Jira.

Моделирование, производство и тестирование

Ведущие EDA-среды также интегрируются с решателями целостности сигнала и питания, тестовыми системами на основе netlist и внешними инструментами проектирования с учетом технологичности производства (DFM). 

Каковы основные функции инструментов автоматизации EDA-проектирования?

Большинство EDA-систем для инженерии PCB имеют общую основу. Ключевые функции, на которые стоит обратить внимание:

1. Единая база проектных данных
   Схема, компоновка PCB, 3D-модели и производственные выходные данные используют одно базовое представление проекта. Это центральный принцип Altium Develop на платформе Altium, где все представления и выходные данные формируются из одних и тех же данных.
2. Управление ограничениями и механизмы правил
   Правила охватывают классы цепей, физические зазоры, целевые значения импеданса и длины, использование переходных отверстий, дифференциальные пары и ограничения технологичности. Системы ограничений применяют их в схеме и компоновке, а проверки правил автоматически подтверждают соответствие.
3. Интегрированное моделирование и анализ
   Моделирование на уровне схемы и анализ целостности сигнала (SI) и питания (PI) с учетом компоновки помогают выявлять функциональные проблемы и проблемы распределения питания до изготовления.
4. Интерактивная и вспомогательная трассировка Механизмы трассировки обеспечивают соблюдение ограничений, поддерживая при этом эффективные рабочие процессы. Возможности часто включают направляемую трассировку дифференциальных пар, подстройку длины и продвинутые стратегии использования переходных отверстий, иногда с автоматизированной поддержкой.
5. Трехмерная визуализация и функции ECAD-MCAD
   Трехмерные представления платы помогают проверять высоты, зазоры и поведение rigid-flex-конструкций. В Altium Develop 3D-представления тесно интегрированы с редактором PCB, поэтому разработчики могут переключаться между детальным 2D-редактированием и полноценными 3D-сборками.
6. DFx и производственная документация
   Инструменты DFx анализируют технологичность и тестопригодность, а EDA-система формирует производственные и сборочные выходные данные, включая файлы Gerber или ODB++, данные сверления, чертежи стека слоев и сборки, а также файлы размещения компонентов. В Altium Develop такая документация встроена, а не требует внешнего дополнения.
7. Библиотеки, управление данными и совместная работа
   Централизованные библиотеки, облачные рабочие пространства, контроль ревизий, рецензирование и API помогают командам управлять компонентами и проектами в масштабе. Платформа Altium, предоставляемая через Altium Develop и Altium Agile, является заметным примером такого подхода.

Как автоматизация EDA улучшает процессы электронного проектирования?

Автоматизация EDA-проектирования меняет жизненный цикл PCB, перенося проверки на более ранние этапы, поддерживая соответствие замысла реализации и уменьшая расхождение данных.

Переносит критически важные проверки на ранние этапы

Проверки электрических правил, раннее моделирование и настройка ограничений смещают работу по обеспечению качества в начало проекта. Разработчики проверяют архитектуру и выбор компонентов до перехода к компоновке, сокращая количество последующих итераций.

Поддерживает согласованность замысла и реализации

Системы ограничений гарантируют, что правила, согласованные на этапе требований и архитектуры, управляют размещением и трассировкой. В Altium Develop один и тот же набор правил применяется к схеме, PCB и производственным выходным данным, поэтому электрический замысел и физическая реализация остаются согласованными.

Снижает объем ручного преобразования и расхождения данных

Тесная интеграция с MCAD, PLM и производством сокращает ручной экспорт и повторный ввод данных. BOM и документация формируются из авторитетной проектной базы данных, а облачные инструменты обмена позволяют всем работать с одной и той же ревизией.

Как выбрать и стандартизировать EDA-среду

Чтобы стабильно получать эти преимущества, нужна EDA-среда проектирования, поддерживающая единый процесс. При оценке вариантов учитывайте:

1. Сложность платы, целевые показатели производительности и нормативные требования
2. Размер команды, географическое распределение и потребности в совместной работе
3. Требования к интеграции с MCAD, PLM и внешними инструментами анализа
4. Предпочитаете ли вы единое интегрированное приложение или свободный набор модулей

Платформа Altium, предоставляемая через Octopart Discover, Altium Develop и Altium Agile, объединяет единый интерфейс проектирования, мощные возможности 3D и ECAD-MCAD, интегрированные производственные выходные данные и облачную платформу для совместной работы и управления жизненным циклом. Другие популярные EDA-инструменты для электронного проектирования также могут удовлетворять аналогичные потребности, особенно в очень крупных компаниях с большими бюджетами, но часто ценой более сильной зависимости от отдельных баз данных и цепочек инструментов.

Для большинства организаций, занимающихся PCB, практичный путь состоит в том, чтобы выбрать платформу EDA-проектирования, охватывающую требования, схемотехнику, моделирование, компоновку, верификацию и выпуск в одной среде; создать общие библиотеки и ограничения; интегрировать ее с механическими и информационными системами; и отслеживать такие метрики, как количество итераций на проект, выход годных с первого прохода и время от заморозки схемы до релиза. Если эти показатели улучшаются от квартала к кварталу, значит, ваша стратегия автоматизации EDA работает.

Часто задаваемые вопросы

1. Что такое EDA-проектирование в инженерии PCB?

EDA-проектирование в инженерии PCB — это использование программного обеспечения автоматизации электронного проектирования для управления полным жизненным циклом платы, включая сбор требований, захват схемы, моделирование, компоновку и трассировку PCB, верификацию и выпуск в производство. Цель состоит в том, чтобы удерживать все эти этапы в рамках единой среды, управляемой ограничениями, а не использовать отдельные инструменты.

2. Как программное обеспечение EDA-проектирования вписывается в общий процесс проектирования PCB?

ПО для проектирования EDA — основа процесса разработки печатных плат. Оно преобразует требования к изделию и электрические требования в схемы, проверяет поведение с помощью моделирования, реализует физическую плату, проверяет её на соответствие электрическим и производственным правилам и формирует выходные данные для изготовления и сборки на основе общего проекта и набора библиотек.

3. Чем Altium отличается от других популярных EDA-инструментов для проектирования электроники?

Altium предоставляет свои возможности через платформу Altium с тремя связанными решениями: Octopart Discover для поиска решений и подбора компонентов, Altium Develop как основную среду проектирования печатных плат и систем, а также Altium Agile для корпоративных процессов и интеграций. Вместе они создают единый контекст для схемотехники, трассировки PCB, 3D, ограничений, аналитики цепочки поставок и документации, снижая необходимость «сшивать» несколько инструментов между собой.

4. Когда команде следует перейти от инструментов начального уровня к профессиональной EDA-среде?

Командам обычно требуется профессиональная EDA-среда, когда платы становятся более высокоскоростными, плотными или регулируемыми, а количество повторных итераций начинает расти. На этом этапе профессиональное ПО для EDA-проектирования, такое как Altium Develop, предлагает более мощные механизмы ограничений, лучшую интеграцию с 3D, более надёжную документацию и более тесное взаимодействие в команде.

5. Каковы преимущества ПО для EDA-проектирования, интегрированного с системами MCAD и PLM?

ПО для EDA-проектирования интегрируется с MCAD, чтобы механические и электротехнические команды могли использовать одну и ту же геометрию и модели компонентов. При интеграции с PLM спецификации BOM, данные о компонентах и ревизии передаются в корпоративную мастер-систему учёта. На платформе Altium Altium Develop обеспечивает повседневное взаимодействие ECAD-MCAD, а Altium Agile сосредоточен на управлении данными, подключении к PLM и аппаратных рабочих процессах.

6. Какие функции следует считать приоритетными при оценке EDA-ПО для высокоскоростных или сложных плат?

В первую очередь оценивайте управление ограничениями и анализ. Нужна сильная поддержка классов цепей, контроля импеданса, согласования длин, дифференциальных пар, правил для переходных отверстий и правил технологичности, а также доступный анализ целостности сигналов и питания, связанный с реальной топологией платы. Единая среда, такая как Altium Develop, упрощает последовательное применение и проверку этих ограничений.

7. Как облачное взаимодействие меняет подход PCB-команд к использованию EDA-инструментов?

Облачное взаимодействие превращает проектирование печатных плат в общее рабочее пространство, где проекты, библиотеки и выходные данные остаются актуальными и доступны нужным участникам. На платформе Altium Altium Develop и Altium Agile предоставляют браузерные представления, контролируемый доступ и встроенные комментарии, что сокращает пересылку файлов по электронной почте и помогает распределённым командам работать согласованно.

8. Как команде следует планировать миграцию к стандартизированной EDA-среде проектирования, такой как Altium?

Практический подход включает выбор пилотных проектов, определение метрик успеха, создание общих библиотек и шаблонов ограничений в новой среде, а затем обучение команды и запуск этих пилотов с параллельной доработкой рабочих процессов. Стандартизация на платформе Altium позволяет один раз настроить эту инфраструктуру и затем использовать её повторно для разных продуктов. Существующие клиенты Altium могут перейти на Discover, Develop и Agile на той же платформе, где уже размещены их проекты.